在2維空間,生命也可能存在?_風聞
观察者网用户_559379-群583175快乐赛车计划2019-07-02 16:36
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圖片來源:NASA, ESA, P. Oesch and M. Montes
在更低的維度上,生命能否存在?2維生命的設想非常誘人,但人們普遍認為,2維空間中不可能有生命存在。其中兩個重要原因是:2維引力難以維持行星軌道的穩定性;2維網絡的複雜度也無法支持生命活動。
但是,加州大學戴維斯分校物理學家J. H. C. Scargill在預印本網站發表了一篇題為“Can Life Exist in 2 + 1 Dimensions?”的論文。在這裏,空間是2維的,而時間是1維的。Scargill通過上述兩點論述,在2維空間,生命完全有可能出現。
撰文 | 張華
編輯 | 吳非
2維太陽系的穩定性
首先,Scargill從引力的角度討論了2維生命的可能性。
萬有引力的一個顯著特徵是,一旦空間不是3維的,那麼萬有引力的大小就不再與距離的平方成反比。這會引起嚴重的後果——地球繞太陽的公轉軌道變得不穩定。任何微弱的擾動,例如一顆隕石落到地球上,都會讓地球離開現有軌道。
在非3維空間,如果不修改目前的萬有引力理論(廣義相對論),就不可能存在穩定的地球繞日軌道。地球或者是被太陽吸引,落入太陽而燒燬;或者是飄離太陽系。
而在2維空間,除了軌道穩定性的問題,引力本身也是生命存在的阻力。由於2維空間的引力沒有自由度,在這裏,甚至不存在真正意義上的引力。
為了解決這個問題,Scargill在2維空間中引入一個標量場,修改了整個引力理論,從而產生全新的2維引力場。在這種條件下,Scargill證明了可以存在穩定的圓軌道——這個圓軌道描述的是地球繞着太陽公轉,而2維生物是生活在這個2維地球上的。
如果只考慮物理,2維中最重要的相互作用當然是引力,因為引力是最宏觀的,也決定了時空結構。當然,對於其他三種相互作用——電磁相互作用、強相互作用與弱相互作用在2維空間會變得怎麼樣,Scargill在研究中沒有提到。
神經網絡是一個“小世界”
隨後,Scargill從數學上證明,在2維空間中,神經網絡的複雜度具備支持生命的條件。
神經網絡是用神經元通過突起連接的複雜網絡。在數學結構上,它其實屬於圖論所研究的範疇(神經元的細胞體是圖的頂點,而突起是連接頂點的線條)。圖論起源於歐拉對戈尼斯堡七橋問題的研究,後來在四色問題等研究中發揚光大,成為一個數學的基礎分支。
比較低等的生物,比如線蟲完整的神經網絡已被繪製出來了。從目前的研究結論來看,神經網絡的一個關鍵特性在於,它們是“小世界”網絡。“小世界”網絡介於規則網絡與隨機網絡之間,同時具備規則網絡與隨機網絡的性質。
小世界特徵可以通俗理解為,這個世界其實很小,你只要通過6個人就可以認識世界上的每一個人,包括美國總統或者非洲某村的村長。而在複雜網絡中,小世界模型意味着圖中多數連接都很短,但同時有少量長程連接。
對於人腦神經網絡來説,目前腦科學研究的一個基本觀點是:人腦神經網絡展現出小世界特徵。
在數學上可以證明,與隨機網絡相比,小世界網絡具有魯棒性,因此也符合大腦的生理特性。在小世界網絡中隨機刪除節點,對網絡平均連接長度的影響很小。另外,小世界網絡有大量的局域連接配合少數隨機的全局連接,這種模式的傳輸信息效率也更高。人腦神經網絡之所以具有小世界特性,可能是在成本-效率平衡的壓力下,自然選擇的結果。
2維網絡的小世界特性
對2維生物來説,情況有一點特殊:2維生物大腦中的神經纖維不能交叉,因此其大腦的神經網絡必須是平面的,這在某種意義上限制了它的複雜性。因此,一些研究認為,二維世界太簡單了,無法讓複雜的生命出現。
但是,2維的神經網絡是否也能展示出小世界特徵呢?這正是Scargill需要解決的問題。
北京師範大學系統科學學院副教授崔曉華告訴《環球科學》:“Scargill在論文中構造了一些帶環的平面圖。環在網絡中很重要,因為帶環的網絡可以產生自我的週期行為。有研究認為,大腦處理時間信息的一項重要機制,就是利用局部神經環路記錄信息。”
Scargill在論文中證明了,帶環的2維網絡可以展現出小世界特性。
除了小世界特性,Scargill還在論文中提到了大腦神經網絡拓撲結構的另外兩個特點——層級化與模塊化,他證明了2維網絡也可以展現出這些特點。因此,在神經網絡這個角度上,2維空間也可能存在生命體。
雖然Scargill論證了2維生命體存在的可能性,但這距離證明2維生命還有很遠的距離。還有其他理由認為我們這樣的生命體無法在2維空間中存在。例如,霍金在《時間簡史》中提到,在2維空間,生命體口腔與肛門的連線(消化道)會把這個生物分割為兩個部分,因而2維生命體不能存在——當然這是從消化系統角度來論述這個問題的。或許,對於其他維度的生命,我們永遠無法找到答案。
儘管如此,這樣的討論在科學上是有益的。例如,人腦中的小世界組織模式就很有價值,尤其是在目前的計算機工程領域,功耗低、高效智能的類腦芯片的開發與之密切相關。
原始論文:
https://arxiv.org/pdf/1906.05336.pdf
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